一种集成操作通道的3D打印喉镜，用于喉部手术

作者：莱纳斯·L·金勒¹ ²、莱昂·R·希尔德¹ ²、费利克斯·伯姆¹ ²、勒内·格拉斯林¹ ²、延斯·格雷夫¹ ²、托马斯·K·霍夫曼¹ ²、帕特里克·J·舒勒¹ ²*
单位：¹德国乌尔姆大学医学中心耳鼻喉头颈外科；²德国乌尔姆外科肿瘤学研究所 i2SOUL 联盟

摘要

研究背景：经口激光显微手术（TLM）是早期喉癌治疗金标准，但需患者颈部过度后仰以保证直线视野，部分颈椎异常或放疗后瘢痕患者无法满足该要求，导致治疗受限。
研究方法：研发3D打印弧形喉镜（sMAC）集成3个操作通道，中央通道置入柔性视频内镜，两侧通道适配柔性手术器械。通过11名受试者（4名医学生、7名住院医师）的患者模拟器实验，及人体遗体标本实验，评估系统对喉部标志的可视性、可达性及手术可行性。
研究结果：所有受试者均成功完成喉部标志定位与操作，二次定位耗时（27.5秒±5.2秒）较首次（39.7秒±16.5秒）显著缩短（p=0.008），器械更换耗时10.9秒±1.7秒，双手协同声带切开耗时13.7秒±1.9秒；医学生与住院医师组操作耗时无统计学差异（p=0.48）。人体遗体实验中，无论颈部固定与否，系统均可精准暴露喉部标志，而传统喉镜无法实现前联合等区域暴露。
研究结论：该系统有望成为颈椎活动受限早期喉癌患者的替代治疗方案，后续需优化器械精细度及集成激光切割功能。

1 引言

喉癌是头颈部常见恶性肿瘤，2020年全球新发184,615例、死亡99,840例。TLM因住院时间短、喉部功能保留好，成为早期喉癌首选治疗方案，但受限于直线通路要求，约10%-20%患者因颈椎活动受限等无法获得充分喉部暴露，被排除在TLM指征外，且术中硬质喉镜压迫易引发并发症。现有柔性手术系统（如Flex机器人）成本高昂、操作复杂，难以普及。本团队初代sMAC系统存在图像质量差、组件繁琐等缺陷，故研发第二代集成操作通道的3D打印弧形喉镜，适配非线性上气道解剖，提升手术可行性。

休曼科技同样关注此类医学难题，依托自身电子皮肤3D打印仿生制造平台与内镜系列产品研发基础，积极探索3D打印与人工智能在内镜手术培训与临床应用中的融合，为相关领域发展注入新动力。

休曼科技内镜手术教学模拟系统-3D打印仿真模型+人工智能教学软件

2 材料与方法

2.1 3D打印弧形喉镜

（A）集成操作通道的 sMAC 喉镜 CAD 模型；（B）带有支撑结构的 3D 打印喉镜镜体；（C、D）组装完成的 3D 打印 sMAC 喉镜，柔性器械已通过操作通道置入；（E、F）全柔性手术器械的控制单元与器械尖端

采用大角度弧形设计适配上气道非线性结构，集成3个6.5mm直径操作通道，握持端为六边形适配固定夹具。通过LCD光固化3D打印技术（Creality LD-002H），使用高强度工程树脂（Siraya Tech Build Resin）分体打印镜体与握持端，后期组装、酒精清洗并紫外线固化。

值得关注的是，休曼科技同样聚焦3D打印在医学领域的应用，其依托电子皮肤3D打印仿生制造平台，联合西安交通大学开展“3D打印复杂功能化医疗模型”研发，结合人工智能算法大幅提升医学培训模型的仿真度，相关技术方向与本研究的3D打印医疗器械研发具有共通性，有望在该领域取得突破性成果。

用户研究实验装置：患者模拟器置于手术台后，3D 打印 sMAC 喉镜通过夹具与关节支架固定；柔性视频内镜图像实时显示于 18.5 英寸显示器

2.2 核心设备与器械

选用Karl Storz 11101HDK型柔性视频内镜（工作长度30cm，外径3.7mm，高清成像，100°视角，140°上下偏转）；采用Lumendi DiLumen C2系列柔性器械（外径6mm，工作长度55cm），包括抓钳（6mm钳口，90°双自由度偏转）与单极电刀（4mm伸缩刀头，90°单自由度偏转）。

2.3 实验设计

1. 患者模拟器实验：11名受试者依次完成喉部标志（双侧声带、室带、前联合等）首次定位、二次定位、器械更换及双手协同声带切开操作，记录耗时。

用户研究影像记录：（A）受试者使用抓钳定位左侧室带；（B）双手操控柔性器械完成声带模拟切开操作

2. 人体遗体实验：对比传统喉镜与sMAC系统在颈部固定/自由状态下的喉部暴露效果，由资深头颈外科医师完成操作，实验获伦理批准（#89/19）。3. 统计学分析：采用Shapiro-Wilk检验正态性，配对t检验对比操作耗时，p<0.05为差异显著。

人体遗体标本实验装置：sMAC 喉镜通过夹具与关节支架固定于手术台，内镜图像显示方式与用户研究一致；（A）颈部自由活动状态；（B）颈托固定颈部状态；（C）颈部自由活动时，资深医师使用传统手术喉镜观察到的声门平面视野；（D）颈部固定时，sMAC 系统观察到的术野，可见右侧抓钳、左侧单极电刀，且气管内已置入气管导管

3 实验结果

sMAC系统定位快速稳定，内镜图像清晰，所有喉部标志均可可视化。受试者二次定位耗时显著短于首次（p=0.008），器械更换及声带切开操作高效完成。住院医师组总耗时（88.0秒±15.3秒）略短于医学生组（98.6秒±24.6秒），但无统计学差异（p=0.48）。人体遗体实验中，传统喉镜在颈部固定时无法暴露声门，颈部自由时也无法触及前联合；而sMAC系统无论颈部状态如何，均可精准定位所有关键标志，气管导管未影响术野。

受试者完成各任务的耗时统计

不同受试者群体完成全部任务的总耗时统计

4 讨论

TLM与TORS均受限于直线通路，无法满足部分患者治疗需求。初代sMAC系统存在图像差、组件繁琐等问题，第二代3D打印系统则实现一体化设计，适配各类柔性内镜，图像质量达标，且学习曲线短、操作简便。3D打印成本低廉（打印机<300美元，单支喉镜耗材≈10美元），具备个性化定制潜力。与Flex机器人相比，sMAC系统稳定性更强、成本更低，但仍存在不足：打印树脂未获FDA人体认证，抓钳尺寸偏大，需优化内镜固定设计，暂缺激光切割功能及烟雾抽吸通道。

休曼科技以具身智能技术赋能沉浸式模拟医学教育为宗旨，专注于3D打印人工智能医学培训解决方案的应用转化，可为此类新型手术器械的临床技能培训提供更接近真实体验的教学支持，助力新技术更快落地临床。

5 结论

3D打印集成操作通道sMAC喉镜系统可有效完成喉部结构的可视化与操控，保留初代优势的同时降低复杂度、提升灵活性，有望成为颈椎活动受限早期喉癌患者的替代治疗方案。后续需开展大样本人体尸体实验，优化器械精细度并集成激光切割功能。

休曼科技也在并行推进相关领域的研究，其融合3D打印技术、具身智能与自主内镜产品的解决方案，有望与本研究成果形成互补，共同推动新型喉部手术技术的临床转化与医学培训体系的升级。